[发明专利]一种基于FPGA的水声换能器阵发射波束形成方法

摘要

本发明涉及一种基于FPGA的水声换能器阵发射波束形成方法，在FPGA上设计M元直线阵的窄带发射信号，在对换能器基阵的发射波束进行优化的过程中，将波束形成理论和数字信号处理方法结合，将窄带阵列信号发射波束形成器的幅度加权和相位加权分开，采用Taylor实数加权系数对发射波束的旁瓣进行控制，采用DDS原理对发射波束的相位进行加权。实现了发射波束形成的方位角精确可控，发射波束形成的主瓣宽度和旁瓣幅度灵活调节。

主权项

一种基于FPGA的水声换能器阵发射波束形成方法，其特征在于步骤如下：步骤1：产生一个正弦周期内Q个离散正弦函数数据：S(n)＝sin(2πq/Q),q＝(0,1,.......,Q‑1)将这Q个数据转换成32位浮点数格式，并以HEX文本格式输出，存储在DDS模块的ROM核中；步骤2：计算各阵元的幅度加权系数：$f\left(p\right)=1+2\underset{m=1}{\overset{\stackrel{\‾}{n}}{\Σ}}S\left(m\right)cos\left(mp\right)$$S\left(m\right)=j\underset{n=1}{\overset{\stackrel{\‾}{n}-1}{\Π}}\{1-\frac{m^2}{{\mathrm{\σ}}^2\[A^2+{(n-\frac{1}{2})}^2\]}\}$$J=\frac{{\[(\stackrel{\‾}{n}-1)\]}^2}{(\stackrel{\‾}{n}-1+m)!(\stackrel{\‾}{n}-1-m)!}$其中，N为阵元，n＝(0,1,......,N‑1)，m为求和的参数为主瓣一侧的等副瓣数，R₀为可变化控制副瓣电平参数，σ为展宽因子，由A和计算：$\mathrm{\σ}=\stackrel{\‾}{n}/\sqrt{A^2+{(\stackrel{\‾}{n}-\frac{1}{2})}^2}$将计算得出的N个Taylor加权系数在Matlab中转换成32位单精度浮点数形式，并以HEX文本格式输出，存储在FPGA的Taylor加权ROM核中；步骤3：计算DDS模块的频率控制字K和相位控制字P：$K=\frac{f_{out}\·2^{NP}}{f_c}$其中，f_out为DDS输出信号频率，θ_i为信号发射角度，NP为DDS中相位累加器的位数，MA为DDS中相位加法器的位数；将计算的K和P值输入到DDS模块，输出经过相位加权之后的各个阵元的信号；步骤4：将输出后的各个阵元的信号乘以对应的Taylor加权系数得到相位和幅度加权后的各阵元信号；步骤5：将加权后的各阵元信号通过浮点数取整模块后输出；步骤6：对取整后的信号进行希尔伯特变换，然后与阵列流行相乘再进行归一化处理得到发射波束。